2024年分析測試科學獎一等獎：用于多因子生物檢測與成像分析的雙指紋拉曼測量技術
完成單位：武漢紡織大學，武漢大學
完成人：沈愛國、胡繼明、朱偉、李偉、周曉東
成果簡介：申請人將拉曼散射（RS）、表面增強拉曼散射（SERS）和受激拉曼散射（SRS）等多種拉曼測量技術融為一體，以新的分子/納米材料的設計合成為突破口，提出“雙指紋”拉曼檢測新概念，革新拉曼測量技術并創制專用儀器裝置，在多因子快速解析與成像分析方面取得系列創新成果：（1）探索貴金屬多維納米結構合成機制，提出構筑尖端或粒子內隙、間隙等“熱點”2D/3D均勻排布的微區表面，提升了SERS直接檢測的靈敏度和重現性。（2）優化SERS標簽并將其用于復雜生物體液中生物大分子、有機小分子/離子的SERS間接檢測，以及“細胞-組織-活體”三層次、多因子靶向成像。（3）合成多種生物靜默區（1800-2800 cm-1）具備“窄帶單峰”拉曼散射特性的標記/響應分子、聚合物單體及有機金屬配位聚合物，創制了“點擊SERS”等一系列可用于多因子液體活檢和生物成像的拉曼編碼技術。
上述成果主要依托3個國家自然科學基金項目完成，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem.等雜志發表SCI論文38篇，其中一區論文15篇，影響因子大于10的論文8篇，他引653次。申請人成功研制可批量制備高重現SERS芯片的①“濕法鍍金自動化儀”以及與之匹配的②“微區多孔板表面增強拉曼檢測系統”，以及尚屬市場空白的③微生物快速檢測儀。
創新點及科學價值：
（1）探索水相精細合成和表界面“限域生長”貴金屬多維納米結構機制，提出構筑尖端（tips）或粒子內空隙（intra gaps）以及粒子間隙（inter gaps）等“熱點”2D/3D 均勻排布的微區表面有助于提升“Point-of-use SERS”直接檢測（獲取小分子群“自然指紋”）的靈敏度和重現性，為低成本的濕化學法批量制備均勻性的 SERS 芯片奠定了科學基礎。
（2）優化 SERS 標簽“拉曼信號分子-增強基底-保護殼層-靶向分子”四位一體的組成/結構，揭示其與目標物的作用方式及其 SERS 響應規律，為將其用于復雜生物體液中生物大分子、有機小分子/離子的“Point-of-use SERS”間接檢測，以及“細胞-組織-活體”三層次的多因子靶向成像提供了全新的思路。
（3）系統解析含三鍵分子的結構與拉曼散射的關系，合成了多種生物靜默區（1800-2800 cm-1）具備“窄帶單峰”拉曼散射特性的標記/響應分子、聚合物單體及有機金屬配位聚合物，創制了“點擊SERS”、“混頻SERS”和“組頻SERS”等一系列可用于多因子液體活檢和生物成像的拉曼編碼技術（獲取大分子群“人造指紋”）。
面向復雜樣品的全分析（大分子和小分子兩個層次上的多因子檢測）不僅在學術思想上是新穎、超前的，而且在理想的化學測量技術和方法的創新創制上也是一塊“處女地”。
社會經濟效益：微生物檢測儀針對藥廠、手術室等高潔凈空間亟需，填補市場空白，可實現室內空氣中微生物快速計數（小于 30 min）。濕法鍍金自動化儀和微區多孔板表面增強拉曼檢測系統已分別實現樣機和銷售級設備的研制，前者經過專門測試機構測試各項指標，后者完成兩臺銷售。廣西電網公司借助濕法鍍金自動化儀制備的 SERS 芯片，已分別實現變壓器油中糠醛（檢出限優于 0.1 mg/L）、苯并三氮唑（檢出限優于 10 mg/kg）和二芐基二硫醚（檢出限優于 10 mg/kg）的現場直接檢測，目前工況良好，運行正常。
應用前景：SERS 技術既能通過標記探針間接檢測目標物，又能對復雜體系生物組分進行無分離、直接檢測來獲取目標體系的指紋信息，是開展生物非定向分析極富潛力的絕佳工具，將“大分子間接檢測獲取人造指紋”與“小分子直接檢測獲取自然指紋”完美融合，既體現了樣品不同層次生物學信息的互補和統一，又遵循了儀器技術和方法的一脈相承。在不久的將來，生物體液、食品以及環境樣品的非定向分析領域，SERS技術不論是檢測理念還是專用裝置都將會逐步接受實踐和時間的檢驗。
